Systèmes d`Exploitation - Architecture pour les systèmes
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Systèmes d’Exploitation Didier Verna E PITA Architecture Von Neumann Interruptions Systèmes d’Exploitation Architecture pour les systèmes Entrées / Sorties Protection Didier Verna [email protected] http://www.lrde.epita.fr/˜didier 1/22 Table des matières Systèmes d’Exploitation Didier Verna E PITA 1 Architecture Générale 2 Cycle de Von Neumann 3 Interruptions 4 Entrées / Sorties 5 Protection matérielle Architecture Von Neumann Interruptions Entrées / Sorties Protection 2/22 Architecture Composition d’n système informatique Systèmes d’Exploitation Un (ou plusieurs) processeur(s) Didier Verna E PITA Mémoire Architecture Contrôleurs de périphériques Von Neumann Périphériques associés Interruptions Bus de liaison Entrées / Sorties Protection 4/22 Bus Systèmes d’Exploitation Disque dur Écran Imprimante contrôleur 1 contrôleur 2 etc... Didier Verna E PITA Architecture processeur Von Neumann Interruptions Entrées / Sorties Données Protection Addresses Contrôle Mémoire 5/22 Exemple : architecture Pentium Systèmes d’Exploitation Didier Verna E PITA Cache level 2 Cache CPU Local AGP SCSI USB PCI Bridge Memory RAM Architecture Von Neumann PCI Slots Interruptions Entrées / Sorties Graphics card ISA Bridge IDE IDE Disk Protection Modem Sound Printer Et aussi IEEE 1394 (FireWire) etc. 6/22 ISA Slots Cycle de Von Neumann Systèmes d’Exploitation Didier Verna E PITA Scenario I I Architecture I Von Neumann I Interruptions I Entrées / Sorties Protection Implémentation I I I 8/22 Extraction d’une instruction Stockage dans le registre d’instruction Décodage Extraction de données éventuelles (opérandes) Exécution Jeu d’instructions spécifique à chaque CPU Utilisation de registres CPU. Registres spéciaux : PC (Program Counter), SP (Stack Pointer), PSW (Program Status Word) Architectures modernes : pipelines, CPU super-scalaires, R ISC etc. Initialisation Systèmes d’Exploitation Didier Verna E PITA BIOS (Basic Input Output System) I I Architecture Von Neumann Interruptions Entrées / Sorties Protection I initialise le matériel (registres processeur, mémoire etc.) scanne les bus (I SA et P CI d’abord) pour trouver un périphérique amorçable (bootable) Premier secteur =⇒ partition active =⇒ deuxième « boot loader » ou système charge le système d’exploitation en mémoire Système d’Exploitation I I lance le premier processus (« init ») attend un événement Les événements sont produits par des « interruptions » 10/22 Interruptions Seul moyen d’interrompre le traitement en cours d’exécution Systèmes d’Exploitation Didier Verna E PITA Deux types d’interruption I Architecture Von Neumann Interruptions Entrées / Sorties Protection I Interruptions matérielles déclenchées par le processeur, les périphériques etc. (ex. fin d’une opération d’entrée / sortie) Interruptions logicielles déclenchées par des « appels système » (ex. accès mémoire) Vocabulaire : « Exception » = interruption causée par une erreur (division par 0, accès mémoire illégal etc.) Remarque : Conflit d’IRQ, périphériques legacy etc. =⇒ « Plug and Play » (Plug and Pray). 11/22 Traitement des interruptions Systèmes d’Exploitation Didier Verna E PITA Scenario I Architecture Von Neumann Interruptions Implémentation I Entrées / Sorties Protection I I 12/22 L’arrivée d’une interruption suspend le traitement en cours, exécute la routine associée puis reprend le traitement précédent l’interruption. Chaque interruption est associée à une routine fixe de traitement. Vecteur d’interruptions : tableau situé en mémoire basse et contenant les adresses de début de chaque routine. L’adresse de l’instruction interrompue est stockée dans la pile du système. Les routines de traitement des interruptions doivent elle-même sauvegarder l’état du processeur si besoin est. Interruption des interruptions Systèmes d’Exploitation Didier Verna E PITA Architecture Von Neumann Interruptions Entrées / Sorties Protection 13/22 Masquage simple Aucune interruption ne peut intervenir pendant le traitement d’une interruption : leur traitement est différé jusqu’à la fin du traitement de l’interruption en cours. Masquage sélectif Chaque interruption est associée à un niveau de priorité. Une interruption peut interrompre une autre interruption de priorité inférieure. Les interruptions de même niveau sont gérées par masquage simple. Entrées / Sorties Systèmes d’Exploitation Didier Verna E PITA Architecture Contrôleur de périphériques I I Von Neumann Interruptions Entrées / Sorties Protection 15/22 I Gérer un ou plusieurs périphériques de même type (IDE, SCSI etc.) Harmoniser leur comportement (vitesse d’accès, structure etc.) Assurer le transfert de données entre ces périphériques et la mémoire locale du contrôleur Contrôle des périphériques par pilotes (drivers) Fonctionnement des pilotes Systèmes d’Exploitation Didier Verna E PITA Architecture Von Neumann Interruptions Entrées / Sorties Protection Scenario I I Requête d’E/S par positionnement des registres du contrôleur Signalement de la fin d’une E/S par une interruption E/S configurées en mémoire I I I Adresses mémoire correspondant aux registres des contrôleurs Pas besoin d’instructions d’E/S spécifiques Évite le contact direct entre le matériel et les programmes utilisateurs Remarques : I I 16/22 Pratique pour les périphériques à temps de réponse rapide (adaptateurs vidéos) ou utilisés fréquemment (modem) Il existe également des périphériques permettant l’acquisition de données avant que celles-ci soient requises. Techniques d’E/S Processus ⇒ Appel système ⇒ Pilote ⇒ Contrôleur Systèmes d’Exploitation Didier Verna E PITA Architecture Von Neumann Interruptions Entrées / Sorties Protection 17/22 E/S synchrones Le pilote attend la fin de la requête : scrutation (sondage) du périphérique (polling), attente active. Une seule requête d’E/S à la fois. E/S asynchrones Demande d’interruption pour signaler la fin de la requête, retour immédiat du pilote. Possibilité d’E/S simultanées. Nécessité de maintenir une « table d’état des périphériques ». Direct Memory Access (DMA) Systèmes d’Exploitation Didier Verna E PITA Architecture Von Neumann Interruptions Entrées / Sorties Protection 18/22 Problème : les périphériques rapides (disques, réseau etc.) sont susceptibles de générer énormément d’interruptions (à une fréquence proche du temps de traitement des interruptions). Solution : transférer des blocs entiers de données entre le contrôleur et la R AM, sans intervention du processeur. =⇒ Un interruption par bloc et non plus par mot. Mode double Partage des ressources =⇒ problèmes de cohérence et de sécurité Systèmes d’Exploitation Didier Verna E PITA Architecture Von Neumann Interruptions Entrées / Sorties Protection Mode utilisateur Mode d’exécution des processus clients : le système commute en mode utilisateur dès qu’il donne la main à un processus. Mode superviseur Mode d’exécution du système d’exploitation : le matériel commute en mode superviseur dès qu’une interruption est reçue. Instruction privilégiée Instruction potentiellement nuisible ne pouvant s’effectuer qu’en mode superviseur. Au minimum : toutes les instructions d’E/S. 20/22 Protection de la mémoire Systèmes d’Exploitation Didier Verna E PITA Problèmes I I Architecture Von Neumann Interruptions Solution la plus simple I Entrées / Sorties Protection I I 21/22 Protéger le système et les utilisateurs entre eux Empêcher la modification du vecteur d’interruptions et des routines de traitement de ces interruptions À chaque processus, on associe un registre base et un registre limite définissant ses capacités d’accès à la mémoire. Des instructions privilégiées permettent au système d’exploitation de charger ces registres. Le matériel effectue le contrôle d’accès. Protection du CPU Systèmes d’Exploitation Didier Verna E PITA Architecture Von Neumann But I Solution : horloge I Interruptions Entrées / Sorties Protection 22/22 S’assurer que tout processus client finit par rendre la main au système I Temps fixe : l’horloge génère une interruption à intervalle régulier. Temps variable : temps fixe + compteur. Le système d’exploitation fixe la valeur du compteur. Le compteur est décrémenté à temps fixe. Une interruption est générée quand le compteur atteint la valeur 0.
